(57)【要約】【課題】本発明は、燃焼ゾーンへの酸素添加ガスの手段によって液体燃料の燃焼方法に関し、蒸気ボイラーに適用可能で、従来の酸素火炎に比べて長く、均質かつ冷えた酸素火炎を生成する。【解決手段】本発明によれば、液体燃料は燃焼ゾーンに噴霧された形態で注入され、その燃料は燃料の流れを噴霧流体の流れに接触させることによって噴霧され、      −噴霧前に前記液体燃料は少なくとも３０×１０-6ｍ2／ｓの粘度を有し、      −前記燃料の流れは、前記燃焼ゾーンで噴霧流体の流れのみに接触され、かつ      −酸素添加されたガスは、段階的に前記燃焼ゾーンに注入される。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体燃料は燃焼ゾーンに噴霧された形態で注入され、その燃料は燃料の流れを噴霧流体の流れに接触させることによって噴霧される、燃焼ゾーンで酸素添加されたガスの手段による液体燃料の燃焼方法であって、
−噴霧前に前記液体燃料は少なくとも３０×１０-6ｍ2／ｓの粘度を有し、
−前記燃料の流れは、前記燃焼ゾーンで噴霧流体の流れのみに接触され、かつ
−酸素添加されたガスは、少なくとも２つのジェットの形態で前記燃焼ゾーンに注入され、
・一次酸化ジェットと称される少なくとも一つの第１ジェットは、第１不完全燃焼を引き起こすように前記噴霧液体燃料近傍に注入し、生成物は少なくとも燃料の一部をなお含むこの第１燃焼からもたらされ、
・二次酸化ジェットと称される少なくとも一つの第２ジェットは、前記第１燃焼からもたらされる生成物に存在される燃料の一部と燃焼を始めるように前記噴霧燃料と前記一次ジェットの間の距離ｌ1より大きい前記噴霧燃料からの距離ｌ2で注入することを特徴とする方法。
【請求項２】
その噴霧の前に、前記液体燃料は少なくとも５０×１０-6ｍ2／ｓの粘度を有することを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
その噴霧の前に、前記液体燃料は少なくとも８０×１０-6ｍ2／ｓの粘度を有することを特徴とする請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
前記噴霧流体は蒸気であることを特徴とする請求項１〜３いずれか１項記載の方法。
【請求項５】
前記液体燃料および前記噴霧流体は、二軸管の手段で配送され、内管は前記液体燃料を配送すべき機能を与え、外管は噴霧流体を配送すべき機能を与えることを特徴とする請求項１〜４いずれか１項記載の方法。
【請求項６】
前記噴霧流体の流れは、前記燃料の流れの流速より１５重量％、好ましくは１０重量％低い流速を有することを特徴とする請求項１〜５いずれか１項記載の方法。
【請求項７】
前記一次酸化ジェットによって前記燃焼ゾーンに注入される酸素量は、前記燃焼ゾーンに注入される酸素の総量の最大３０％、好ましくは最大１５％で表されることを特徴とする請求項１〜６いずれか１項記載の方法。
【請求項８】
前記酸素添加されたガスは、少なくとも８０体積％の酸素濃度を有することを特徴とする請求項１〜７いずれか１項記載の方法。
【請求項９】
蒸気ボイラーで履行することを特徴とする請求項１〜８いずれか１項記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸素添加ガスの手段で高粘度液体燃料の燃焼方法に関し、特に蒸気ボイラーに使用できる一つに関する。
【背景技術】
【０００２】
蒸気ボイラーは、種々のタイプの燃料：ガス状燃料（天然ガス）、液体燃料（重燃料油）、固体燃料（粉砕石炭）が用いられる。一方、使用される酸化剤は同時に系統的に存在する空気である。
【０００３】
多くの産業（ガラス、金属、その他）でいくつかのタイプの燃料の燃焼で純粋または濃縮酸素を用いることが広く知られているが、これは２つの理由：一方は経済的理由（酸化剤としての酸素コスト）および他方は酸素炎と蒸気の間の転移熱の問題である技術的な理由、のために蒸気ボイラーを用いるエネルギー生産の分野で全て用いられない。しかしながら、酸素でのこの種の燃焼は環境状況で多くの課題である煙霧に含まれるＣＯ2を妥当な価格で容易に捕獲できるので経済的に魅惑的である。この転移問題は、空気中の窒素バラストの欠乏から起き、燃料および酸素の燃焼により得られる火炎は燃料および空気の燃焼により得られた火炎に比べて短くかつ熱くする。前記熱転移ゾーンは、より限定され、その局所的熱線束レベルは６００〜１０００ｋＷ／ｍ2に達するかもしれず、それはより高いチューブ温度、それゆえ物質（腐食）係る問題を意味する。
【０００４】
この問題の高局所的線束レベルが起こるために、一般的に選択される解決は流通ガスを再循環する。この解決は、空気火炎を閉ざす火炎特性を再度与える再循環流通ガスの高容量で空気中の窒素を置換できる。この解決は、この流通ガス再循環が補助的な循環及びブロアーを加えることを意味するので、明らかに最適な一つではない。また、腐食の問題が表れるかもしれない。
【０００５】
また、油脂分野生産物の最近の傾向において、液体燃料、特に高粘性液体燃料（重質残油と称される）は、ボイラーの燃焼に除々に増大している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、従来の酸素火炎に比べて長く、均質かつ冷えた酸素火炎を作る蒸気ボイラーを用いることができる高粘性を有する液体燃料の酸素で燃焼する方法を提供することである。
【０００７】
本発明の別の目的は、従来材料を使用しながら流通ガス再循環を回避することができる高粘性を有する液体燃料の酸素で燃焼する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この課題に対して、本発明は液体燃料が燃焼ゾーンに噴霧された形態で注入され、その燃料は燃料の流れを噴霧流体の流れに接触させることによって噴霧される、燃焼ゾーンで酸素添加されたガスの手段による液体燃料の燃焼方法であって、
−噴霧前に前記液体燃料は少なくとも３０×１０-6ｍ2／ｓの粘度を有し、
−前記燃料の流れは、前記燃焼ゾーンで噴霧流体の流れのみに接触され、かつ
−酸素添加されたガスは、少なくとも２つのジェットの形態で前記燃焼ゾーンに注入され、
・一次酸化ジェットと称される少なくとも一つの第１ジェットは、第１不完全燃焼を引き起こすように前記噴霧液体燃料近傍に注入し、生成物は少なくとも燃料の一部をなお含むこの第１燃焼からもたらされ、
・二次酸化ジェットと称される少なくとも一つの第２ジェットは、前記第１燃焼からもたらされる生成物に存在される燃料の一部と燃焼を始めるように前記噴霧燃料と前記一次ジェットの間の距離ｌ1より大きい前記噴霧燃料からの距離ｌ2で注入する方法に関する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の他の形態および有益さは以下の詳細を読むことで明らかになる。本発明の実施形態は、本発明に係る方法を履行するためのバーナの概略図である図１によって図示される限定されない例により与えられる。
【００１０】
本発明は、それゆえ液体燃料が燃焼ゾーンに噴霧された形態で注入され、その燃料は燃料の流れを噴霧流体の流れに接触させることによって噴霧される、燃焼ゾーンで酸素添加されたガスの手段による液体燃料の燃焼方法であって、
−噴霧前に前記液体燃料は少なくとも３０×１０-6ｍ2／ｓの粘度を有し、
−前記燃料の流れは、前記燃焼ゾーンで噴霧流体の流れのみに接触され、かつ
−酸素添加されたガスは、少なくとも２つのジェットの形態で前記燃焼ゾーンに注入され、
・一次酸化ジェットと称される少なくとも一つの第１ジェットは、第１不完全燃焼を引き起こすように前記噴霧液体燃料近傍に注入し、生成物は少なくとも燃料の一部をなお含むこの第１燃焼からもたらされ、
・二次酸化ジェットと称される少なくとも一つの第２ジェットは、前記第１燃焼からもたらされる生成物に存在される燃料の一部と燃焼を始めるように前記噴霧燃料と前記一次ジェットの間の距離ｌ1より大きい前記噴霧燃料からの距離ｌ2で注入する方法に関する。
【００１１】
本発明は、重質残油と称される高粘性燃料の燃焼に関する。これらの流体は、雰囲気温度で固体または殆ど固体であり、１００℃の加熱でそれらは少なくとも８０×１０-6ｍ2／ｓ、好ましくは少なくとも４００×１０-6ｍ2／ｓ、さらに好ましくは少なくとも２０００×１０-6ｍ2／ｓの粘度を有する。それら流体は、それら流体をバーナに注入され得る粘度を有するように加熱される。
【００１２】
本発明の方法によれば、燃焼は燃焼ゾーンに導入する前に噴霧される必要がある液体燃料を含む。液体燃料を噴霧する技術は、従来よく知られ、燃料の流れを噴霧流体の流れに接触させることからなる。この噴霧流体は、次の流体：蒸気、空気または酸素から選んでもよい。それは、好ましくは蒸気からなる。本発明の方法における第１の基本的形態は、液体燃料が燃料の流れを噴霧流体の流れに接触させる前に少なくとも３０×１０-6ｍ2／ｓ、好ましくは少なくとも５０×１０-6ｍ2／ｓ、さらに好ましくは少なくとも８０×１０-6ｍ2／ｓの粘度を有するべきであることである。前記液体燃料は一般的に雰囲気温度で固体であるので、それを液化のために加熱することが好ましい。この液化は、通常連続的に加熱された燃料を含むループ内の循環でなされる。加熱された燃料は、本発明に係る方法に使用するために前記ループから取り出される。前記加熱ループの温度は、本方法が達成されるための好ましい粘度（少なくとも３０×１０-6ｍ2／ｓ）になるように調節される。前記液体燃料の最小粘度のときに、液滴のための特定のプロフィルが得られる担保で噴霧される。本方法の他の形態と組み合わされるこの特別なプロフィルは、従来より冷え、長く、かつ均質な酸素火炎を生成する。好ましい形態によれば、前記燃料は８０×１０-6ｍ2／ｓと２００×１０-6ｍ2／ｓの間の粘度を有する。本発明の方法における第２の基本的形態は、燃料の流れが燃焼ゾーンのみで噴霧流体の流れに接触すべきことである。したがって、それらの流れが燃焼ゾーンに注入される前に前記燃料と噴霧流体の予備混合を防ぐことが重要である。前記燃料と噴霧流体の接触、および燃焼ゾーンで起こるべき噴霧の工程において、前記ゾーンは燃焼火炎が発達するところに置かれであろうことを理解される。得られるべき予備混合の欠乏をできる履行の一つの手段は、二軸管の手段による前記液体燃料および前記噴霧流体の配送からなり、内管は前記液体燃料を配送すべき機能を与え、外管は前記噴霧流体を配送すべき機能を与える。好ましくは燃焼ゾーンに現れるこれら２つの管の端部は、それらの中心軸に向かう同一面垂線に実質的に置かれる。
【００１３】
好ましい方法によれば、噴霧流体の流れは前記燃料の流れの流速より１５重量％、好ましくは１０重量％低い流速を有する。
【００１４】
本発明の方法における第３の基本的形態は、酸素添加されたガスの注入に関する。後半は、段階的(staged)手法で前記燃焼ゾーンに注入されるべきである。したがって、酸素添加されたガスは前記燃焼室の種々の場所に注されるべきいくつかのジェットに分配される。第１の一次ジェットは、噴霧液体燃料の近傍に注入される。“近傍”は、この一次ジェットが前記液体燃料に可能な限り近くにあることを意味することを理解される。距離ゼロまたは噴霧燃料が注入される場所から離れずに注入されてもよい。この一次ジェットは、第１不完全燃焼を作ることができる。この不完全燃焼は、注入される燃料の量に対して一次酸素の半理論量の注入のためである。この第１燃焼からもたらされる生産物は、しばしば燃料の少なくとも一部をなお含む。本発明に係る方法は、いくつかの一次酸化ジェット、噴霧液体燃料から同じ距離で注入される全てのこれら一次ジェットをこの後半の履行に供してもよく、一次ジェットは噴霧燃料周囲に通常、分配されることが好ましい。
【００１５】
二次ジェットと称される第２ジェットは、前記噴霧液体燃料からの前記一次ジェットの距離より大きい距離ｌ2で注入される。この二次ジェットは、前記一次ジェットでの第１燃焼の生産物中に残る燃料の燃焼を完全にできる。注入された二次酸素添加されたガスの量は、注入された燃料量に対して理論的な酸素添加されたガスの総注入量を得るように注入された一次酸素添加されたガス履行に相当する。本発明に係る方法は、噴霧燃料が注入される場所から等距離または異なる距離で注入されるいくつかの二次酸化ジェットを供してもよい。燃料が注入される場所から等距離で注入される二次酸化ジェットは、噴霧燃料周囲に通常、分配されることが好ましい。好ましくは、一次酸化ジェットによる燃焼ゾーンに注入される酸素量は、燃焼ゾーンに注入される酸素の総量の最大３０％、好ましくは１５％で表される。
【００１６】
本発明によれば、酸素添加されたガスは少なくとも８０体積％の酸素を含むガスを意味すると理解される。好ましくは、本方法で供される酸素添加されたガスは少なくとも９５体積％の酸素濃度を有する。
【００１７】
本発明に係る方法の種々の形態、特に液体燃料のための３０×１０-6ｍ2／ｓより大きい粘度の観測は、液滴の散布が次の特性を有する噴霧流体の段階的燃焼を導く。
【００１８】
−平均液滴寸法は、１００μｍより大きく、好ましくは１５０と３００μｍの間であり、かつ
−散布の液滴径は次のロッシン−ラメラー(Rosin-Rammler)法に従う。ロッシン−ラメラー(Rosin-Rammler)法によれば、散布の分布要因ｆ（Ｄ）（Ｄより大きな径を持つ適切な液滴数の空間にて所望の箇所で表される）は、次式で規定される。
【数１】
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【００１９】
この組合せは、従来に比べて長く、均質かつ冷えた酸素火炎を生成する。この火炎は、得られるべき非常に平坦な熱流れカーブを得ることができ、それゆえ従来の材料を用いながら流通ガス再循環を回避できる。
【００２０】
本発明に係る方法は、噴霧流体消費を低減（最大−５０％）することができる。
【００２１】
最後に、本発明に係る方法は従来に比べて低い温度で燃料を注入できる有益さを有する。
【００２２】
本発明に係る方法は、蒸気ボイラーでの遂行に特に適している。
【００２３】
図１は、本発明に係る方法を履行するためのある種のバーナを示す。このバーナの噴霧液体燃料インジェクタは、６つの管状燃料注入ノズル１が配置される管形状スプレーヘッド３を有し、それぞれのノズル１は噴霧流体を注入するための管状ノズル２に同軸的に置かれる。全てのノズルは、燃焼ゾーン中のスプレーヘッド３の前表面に現れる。ノズル１，２が現れる前表面の周囲は、直円錐台形状を有し、かつ前記ノズル１，２はこの表面に垂直に現れる。それゆえ、燃料および噴霧流体の予備混合がない。６つの穴は、前記スプレーヘッド３の中心から等距離で、かつ互いに等距離で固定される。前記ノズルは、前記液体燃料および噴霧流体をノズル１，２に供給するように設計された導管によって後方に向かって延出される。前記バーナは、やはり３種の酸素インジェクタ：
−一次酸素インジェクタは、スプレーヘッド３の径より大きな径を持つ管４からなり、このヘッド周囲に同軸的に置かれ、
−２つの二次酸素インジェクタ５は、前記スプレーヘッド３の中心、前記ヘッドのいずれかの側面から第１距離ｌ2に置かれ、
−２つの別の二次酸素インジェクタ６は、前記スプレーヘッド３の中心、前記ヘッドのいずれかの側面から第２距離ｌ2（＞ｌ2）に置かれる、
を有する。
【００２４】
（実施例）
図１の前記インジェクタは、次の特性
−天然燃料：液体重質燃料油、
−粘度：１００℃で４０×１０-6ｍ2／ｓ、
を持つ液体燃料の燃焼のために供した。
【００２５】
５０×１０-6ｍ2／ｓの粘度を得るために９０℃に加熱した後、前記燃料は４０ｍ／ｓの注入速度にて１７９ｋｇ／ｈの流速で注入された。噴霧流体は、２００ｍ／ｓの注入速度、燃料流速の６重量％に表される注入流速、すなわち１０．７４ｋｇ／ｈを有する蒸気であった。
【００２６】
燃焼に用いられる前記酸素添加されたガスは、９９体積％以上の濃度の酸素を有していた。前記酸素添加されたガスは、４０５Ｎｍ3／ｈの全流速で注入され、異なるインジェクタ間の分配は次のようであった：
−一次インジェクタ４に５％、
−二次インジェクタ５に３３％、
−二次インジェクタ６に６２％。
【００２７】
図２のカーブは、インジェクタの突出部の距離（ｘ軸に沿う１単位は０．６メートルを表す）に対するこの燃焼方法を遂行することによって得られた熱線束（ｋＷ／ｍ2）を表す。ｘ軸に沿って各０．６メートル単位はボイラーの水加熱または熱交換に相当する。熱転移は、いかなるバーナの吐出部の距離でも均質であることがわかる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】
【図２】
【図１】
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【図２】
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